2013 Fiscal Year Annual Research Report
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25247051
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
勝本 信吾 東京大学, 物性研究所, 教授 (10185829)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 義昭 東京大学, 物性研究所, その他 (20396922)
中村 壮智 東京大学, 物性研究所, 助教 (50636503)
陽 完治 北海道大学, 学内共同利用施設等, 教授 (60220539)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | スピンエレクトロニクス / 超伝導-半導体接合 / スピンホール効果 / スピン注入 / トポロジカル超伝導 |
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| Research Abstract |
本年度は超伝導体(Nb)-半導体(InAs 2DEG)の良好な接合形成技術の確立に努めるとともに，スピントロニクスの展開上欠くことのできない半導体へのスピン注入技術の探索も行った．
接合形成技術の確立のため，専用の蒸着チェンバーを設計発注し，メーカー納品後Nb薄膜の膜質向上のための改良を重ねた．結果，再現性良く急峻な超伝導転移温度7.5Kを得られるようになった．引き続き，微細加工によって形成した接合の良好化へ向けて実験を重ねている．
従来の蒸着装置を用いた超伝導-半導体接合に関しても，改良を進め低温(3.5K以下)で超伝導臨界電流を有するSNS接合を作製可能になった．この接合で横電流の効果を調べたが，以前ほど大きな効果を得ることができなかった．また，強磁性体からスピン注入する接合も作製し，スピン注入実験を行った所，アンドレーフ反射による電流電圧構造が抑制される結果が得られた．これらの結果については現在解析中である．
なおスピン注入接合に関しては，分担研究者である北大陽グループの担当であったが，陽教授の病状が深刻である事態を受け，北大にて技術移転指導を受けた(陽教授は2013年10月に逝去)．特に，InGaAsやGaAs上にFe単結晶をMBEで直接成長する技術は極めて有効であり，当研究グループでも記録的な注入効率でのスピン注入が可能になった．
量子ドットを用いた超構造によるスピン偏極検出に関しては大きな進展があり，過渡状態の測定により極めて少ない擾乱で鋭敏かつ定量的にスピン偏極を検出できるようになった．これをスピン軌道相互作用を持つ系の量子ポイントコンタクトのスピン偏極に応用し，0.5プラトーでのスピン偏極ばかりでなく，1.0プラトーでのスピン偏極検出に成功した．また，これらのスピン偏極に関して，バイアス電圧依存性に正反対の傾向があることを見出した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
共同研究グループを失うことになり，研究遅滞が心配されたが，急遽技術移転を行うことにより，当グループ内で画期的に良好なスピン注入電極を形成する技術を自家薬籠中のものとすることができた．現在，注入スピンを量子構造中に引き込む実験に全力を挙げており，ほぼ予定通りの達成度と考える．
また，スピン軌道相互作用を用いる実験においては，予定よりやや進んだ結果が得られている．すなわち，1.0プラトーでのスピン偏極を初めて検出し，またこれがバイアス電圧に対して耐性が高いこと，量子ドット構造で制御した形でスピン回転が可能であることを示したことは，予定よりもやや進んだ結果である．
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| Strategy for Future Research Activity |
半導体-強磁性接合の技術が飛躍的に上昇したことを受け，量子構造中へのスピン注入実験を本格化させる．まず，量子細線中でのスピン拡散距離を精密に測定し，スピン軌道相互作用によるスピン回転を検出する．また，スピン軌道相互作用が弱い系へのスピン注入実験を本格化する．この系においては，軌道運動とスピン自由度との間のエンタングルメントが弱いため，軌道のデコヒーレンスが進んでもスピンのコヒーレンスが保たれている可能性がある．このことを，今年度動作確認したスピンAB干渉計において確認する．このようにエンタングルメントの切れた自由度が同一粒子上で異なる量子デコヒーレンスを示すことが確認できれば，物理学の基礎の上でも大きな情報になる．
半導体-超伝導体接合については，昨年度立ち上げた蒸着装置で最適な条件を探索すると同時に，強磁性体構造を参考に，半導体超構造を分子線エピタキシーで積層した直後に超伝導体(Nb)を積層することを試みる．このため，分子線エピタキシー装置に直接挿入可能なエバポレーターを購入し，超高真空中でNb単結晶の成長を試みる．
以上で予定していた実験前段階（これ自身が実験であったわけであるが）がすべて終了するため，以降は，研究計画に従い，高周波応答，クーパー対とグラフェン接合を使うことによる電子スピンエンタングルペアの生成など，予定項目の探索に邁進したい．
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